PI-1300B CCD Window結露解決方法

張永欣、林宏欽

中央大學天文所


當PI-1300B CCD 晶片冷卻至零下50℃時,由於晶片外部僅處於近真空封裝,加上真空室結構的金屬傳導,封裝的窗口玻璃會有降溫的情形,雖然沒有降到與CCD Chip一樣的冷度,但此時玻璃外側接觸的潮濕空氣,便立即凝結水滴在玻璃表面,阻擋光線的進入。


CCD Window 中央結露(左圖),造成影像中央產生圓形不規則減光、星像暈化現象(右圖)

為解決這一個現象,我們採用在CCD窗口玻璃外側提供一足夠乾燥空氣之空間的方式;由窗口玻璃往外還有機械快門、濾鏡(盤)兩層阻隔,雖然沒有達到密閉的條件,但並未完全直通接觸環境空氣,所以只要持續提供一足夠之小流量的乾燥空氣,便可以維持這個空間乾燥,避免結露。

如何持續獲得乾燥的空氣呢?我們在網際網路上找到奧地利有一個天文台 (http://www.harpoint-observatory.com/),採用空氣管線流經過冷凍庫,將空氣冷卻到-25℃的方式,以取得含水量0.7047 g/m³的乾燥空氣,可是這要消耗極高的能量,還要解決管線內冷凝水結冰的問題。因此我們改由飽和蒸汽壓的方式來獲得乾燥空氣,我們從壓力露點與一大氣壓露點換算,當空氣壓縮為 8大氣壓時,再將壓縮空氣冷卻到 2℃,以保持管線內冷凝水的流動性,如此可以得到相當於露點 -23℃的飽和蒸汽,亦即玻璃表面必須低於-23℃時才會發生結露現象,這是目前最為經濟的選擇,若需要更低濕度的乾燥空氣,可以再經二次增壓加大壓力或是經由交換吸附式空氣乾燥機處理。


壓縮空氣淨化系統配置建議 (摘自 http://www.hyperdryer.com.tw/)

實際系統說明如下,使用一般空氣壓縮機將空氣壓縮到 ~8 Kg/cm2,先經過前置過濾器(prefilter)將壓縮空氣內大部分水氣濾除,再經三道精密過濾器(SMC AF4000+AFM4000+AFD4000)將壓縮空氣中的微量油氣精密濾除至0.001PPM,同時濾除空氣中雜質顆粒至0.01MICRON,以達到無油標準的高品質壓縮空氣。最後利用一流量計調整進入CCD相機的空氣量,實測找出適當流量防止結露產生,目前系統使用的空氣流量估計約 500 cc/min。空氣壓縮機馬達每隔約 12分鐘自動充氣。

系統中原本裝置有冷凍式空氣乾燥機將壓縮空氣冷卻,實際使用發現只要將空氣流量調大即可完全杜絕結露現象,故將空氣乾燥機移除。冷凍式空氣乾燥機使用壓縮機冷卻,既耗電又發熱,移除之有利無害。

最後整理幾點注意事項如下,


PI 1300B CCD相機目前使用的Window防結露系統圖

 

REFERENCE

http://www.harpoint-observatory.com/

http://www.hyperdryer.com.tw/

http://www.kinequip.com/PDF/SMC/AFD.PDF

http://www.hyperdryer.com.tw/Precise-filter.htm

http://www.swarmtop.com/p1.htm

http://www.dwyer-inst.com/


更新日期:2005-08-22